大跨度空间网架结构屋盖隔震分析

2024-01-08孟令智杨荣强张洪明

中国建筑装饰装修 2023年24期

孟令智张胥杨荣强张洪明陈军

大跨度空间网架结构作为现代建筑中的重要组成部分，具有轻量化、灵活性和美观性等优点，在体育场馆、展览中心等领域得到广泛应用[1-2]。但随着结构跨度的增大，地震对于结构的影响也变得更加显著。隔震技术是一种有效的结构抗震新技术，可显著降低地震对结构的作用，提高结构的抗震性能。大跨度空间网架结构屋盖隔震是一种结构抗震的新技术和新体系，旨在提高大跨度空间网架结构在地震作用下的安全性，包括基础隔震和屋盖隔震2 种方案，通过引入隔震装置或隔震层，将结构与地震隔离，减少地震对结构的影响，在大跨度空间网架结构中，由于其特殊的空间形态和复杂的受力特点，需要充分考虑结构的动力特性和地震作用的影响，确保其有效性和可行性。同时，屋盖部分是重要的受力构件，通过应用隔震技术能够保护屋盖部分在地震作用下免受破坏，延长结构的使用寿命。

1 项目概况

某混凝土框架支撑的空间网架结构被设计成为一种高度灵活和稳固的结构形式，可适应各种环境和地震条件，设计灵感源于悬索桥结构。该结构是由上下两部分网架组成的屋盖，上部网架在承受载荷时，能够以最小的能耗实现最佳稳定性；下部区域网架弦杆则采用环形与竖直走向相结合的方式，形成一个强大的环箍，能够提高整个结构的稳定性，同时使构件内力的传递方式以轴力为主[3-4]。

为提高屋盖结构的稳定性，减少其挠度，下部框架结构设计了两根柱伸到顶部，以支撑上部屋盖。这种设计方法能够将上部屋盖的重量均匀分散到整个下部框架结构，确保了整体结构的稳定性。值得注意的是，此结构在4 层（标高15.125 m）和5 层（标高18.225 m）处的刚度存在较大变化。上部网架只与1 层（标高4.3 m）和顶层（标高21.925 m）处的下部框架连接，有效减少了地震力对上部网架的影响。该工程所处的场地被归类为Ⅱ类场地，该场地在地震烈度为7 度（0.15 g）的情况下可能面临一定的地震风险。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）的要求，研究人员选择了12 条符合要求的地震记录，用于进行详细的地震响应分析。考虑到地震的不确定性和可能的地震影响，研究人员对结构进行了全面分析，更好地了解其在真实环境中的表现。此外，研究人员还进行了多次模拟实验，以验证该结构的抗震性能[5-6]。

2 屋盖隔震分析

2.1 质点模型

建筑隔震结构是一种设置在建筑物上部结构与基础之间的隔震层，由建筑隔震橡胶支座和阻尼器等部件组成。根据《房屋建筑结构隔震设计方法》，建筑隔震结构体系模主要包括上部结构、隔震装置和下部结构。其中，上部结构在隔震层的最上面，当发生地震时会移动。屋盖隔震结构质点体系模型如图1 所示，其中，x1、x2为震动横向辐射长度，k1、k2、c1、c2为震动点的坐标，m1、m2为震动纵向辐射长度，Ẍg为质点模型。。下部框架结构和隔震层仅有一个未知量，即侧移量。通过这种简化模型，可以更轻松地进行结构的地震反应分析，减少了计算的复杂性，有助于更好地理解和优化大跨度空间网架屋盖的隔震结构设计。

图1 屋盖隔震结构质点体系模型（来源：作者自绘）

2.2 动力分析

通过分析表1 中的数据，有助于更好地优化结构的设计参数，确保在发生地震时，隔震结构能够有效减少地震引起的剪力和位移，保护结构的安全性和稳定性。

表1 三维模型屋盖隔震支座层剪力比值

3 隔震设计

隔震设计采用LRB600 型隔震支座和LRB1000 型隔震支座。其中，LRB600 型隔震支座布置在屋盖的中部支撑柱柱顶（标高21.925 m）处，可有效减少屋盖在地震时的水平位移和振动。

LRB1000 型隔震支座总共有16个，布置在框架柱柱顶（标高4.3 m）处。这些支座的布置有助于分散和吸收地震力，提高结构的稳定性。

层间隔震支座的主要力学性能如表2 所示。该设计方案的目标是通过合理配置不同类型的隔震支座，将地震引起的力和位移传递到隔震支座上，减小地震对整个结构的影响，提高结构的地震抗性和安全性，保护人员和财产免受地震灾害的影响。

表2 层间隔震支座的主要力学性能

为实现该方案，选择多种类型的基础隔震支座。该方案经过精心设计，可以将地震力和振动传递到隔震支座上，提高结构的稳定性。基础隔震支座的主要力学性能如表3 所示。采用该基础隔震设计方案的目标是最大限度减小地震对结构的影响。通过在柱底设置隔震层和使用多种类型的隔震支座，能够有效隔离和吸收地震力，减少结构的地震位移和变形，提高结构的抗震性[7]。

表3 基础隔震支座的主要力学性能

4 结构地震响应对比

4.1 结构剪力对比

屋盖隔震结构的基底剪力减震系数的平均值为0.926，基础隔震结构基底剪力减震系数的平均值为0.428。这表明2 种结构都具有较好的减震效果，但屋盖隔震结构在减震方面具有更好的性能。屋盖隔震结构的屋盖隔震支座层X向剪力减震系数的平均值为0.015，基础隔震结构的屋盖支座层X向剪力减震系数的平均值为0.168。这表明屋盖隔震结构对于上部屋盖的减震效果优于基础隔震结构。

4.2 上部网架结构挠跨比对比

相对于非隔震结构，隔震结构在减小挠度方面具有更好的效果。通过分析上部网架结构的挠跨比，发现屋盖隔震结构和基础隔震结构在减小结构挠度方面具有一定的减震效果。在地震作用下，屋盖隔震结构能够显著减小挠度，降低结构的响应度。

4.3 上部网架结构杆件轴力对比

为准确分析该混凝土框架支撑的空间网架结构性能，选取A-IVW090波和HCAL225 波进行分析。这些地震动记录符合《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）要求，并被广泛用于地震响应分析。通过研究有限元分析的结果，发现屋盖下部网架的环箍处的杆件轴力响应最大，这是因为该部位直接承受上部屋盖的重量，并且是地震力传递的关键路径。由于网架结构中存在大量的杆件，为进行更详细的研究，选择这类具有代表性的杆件为研究对象。选取杆件770、2570和3525 的轴力时程分析结果作为研究依据，这些杆件在屋盖隔震结构和基础隔震结构中具有显著的减震效果。通过对比分析发现，屋盖隔震结构相对于基础隔震结构具有更好的减震效果，这种减震效果的提升主要归功于屋盖隔震层的缓冲作用，能够有效地吸收和分散地震能量，降低地震对结构的影响。

4.4 下部框架结构层间位移角对比

局部放大效应是由屋盖隔震结构的振动特性和刚度分布引起的。然而，基础隔震结构对下部框架结构的位移具有减震效果，说明基础隔震结构可以有效减小下部结构的位移，相对于非隔震结构来说，减震效果更显著。

5 大跨度空间网架结构屋盖隔震设计结果与讨论

5.1 隔震设计的性能评估

通过对比加装隔震措施前后的地震烈度指标，可以对隔震效果进行客观评价。结构响应加速度是衡量结构在地震作用下振动剧烈程度的重要指标，在隔震设计中，结构响应加速度越小越好，因为较小的加速度意味着结构在地震中的振动幅度较小，可以减轻地震对结构的破坏[8]。

通过性能评估可以得出以下结论：在隔震设计中，地震烈度指标、结构响应加速度、最大位移、阻尼比是重要的性能评估指标，可以全面反映隔震措施的效果。从性能评估结果来看，采用适当的隔震措施可以在很大程度上降低地震对大跨度空间网架结构屋盖的破坏风险。采用基础隔震措施后，地震烈度指标下降了25%，结构响应加速度下降了30%，最大位移减小了15%，阻尼比增加了20%。这些数据表明，隔震措施具有显著的效果。值得注意的是，性能评估结果也会受到隔震措施的具体实施情况以及其他因素的影响，如果隔震措施的安装精度不够或者材料性能下降，那么实际的隔震效果可能会比预期要差，在实际的隔震设计中，还需要考虑这些因素的影响。

对比不同隔震设计方案，可以发现不同的设计方案在性能评估结果上存在一定的差异，采用某新型高阻尼材料作为隔震支座材料，虽然初始投资成本略有增加，但在长期地震烈度指标、结构响应加速度、最大位移、阻尼比等性能评估指标上表现出更好的性能。因此，在选择隔震设计方案时，需要综合考虑各种因素，以获得最优的设计方案。

5.2 地震条件下的结构响应

对于大跨度空间网架结构屋盖，在地震作用下，结构会发生位移，位移的大小和分布直接关系到结构的破坏程度，采用隔震措施可以有效减小结构的位移响应。

速度响应反映了结构在地震作用下的振动速度，过高的速度可能破坏结构，要尽量降低结构的速度响应。加速度反映了结构在地震作用下的振动剧烈程度，过高的加速度可能会破坏结构，因此要尽量降低结构的加速度响应。

在地震条件下，结构的应力分布也是关注的重点，应力分布直接反映了结构在地震作用下的安全性，过高的应力可能破坏结构，要关注应力分布并进行优化设计。

5.3 结构安全性与合规性

从安全性角度看，该结构在地震中的稳固性表现令人满意，特别是在高强度的地震模拟中，结构依然能够维持其完整性，避免了可能的倒塌风险。然而，合规性并不仅仅是要满足最低标准，在某些极端情况下，例如超出设计地震强度的震动，结构中某些部位可能会出现损坏，因此未来的抗震设计不仅要考虑规范，还要进一步考虑可能发生的极端情况。

设计中也存在一些潜在的风险和不足，如某些连接部位可能在强震中出现过大的变形，虽然不会导致结构倒塌，但可能影响其长期使用。为进一步提高结构的地震抗性，建议对这些连接部位进行优化设计，如增加其刚度或采用新的连接方式。综上所述，该结构在地震设计中的安全性和合规性都达到了相当高的水平，但为了追求卓越，仍需要关注那些可能被忽视的细节和风险，并不断进行优化[9-10]。